转录后基因调控研究领域还是一个相对未被开发

2020-01-05 16:32栏目:关于我们
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近日,华中农业大学徐芳森课题组联合基因组重测序和转录组测序技术深入揭示了调控油菜氮效率的生物学机制。相关成果发表在 Plant,Cell & Environment 上。

基因调控是现代分子生物学研究的中心课题之一。因为要了解动植物生长发育规律、形态结构特征及生物学功能,就必须搞清楚基因表达在时间和空间上的调控机制,掌握了它,就等于掌握了一把揭示生物学奥秘的钥匙。

已有研究表明,甘蓝型油菜的氮效率存在巨大的基因型差异,然而其调控机制并不清楚。课题组前期通过苗期营养液培养实验和大田实验筛选了两个不同氮效率油菜基因型。研究发现,相比氮低效基因型,氮高效基因型在成熟期具有更高的产量和氮吸收利用效率,苗期具有更发达的根系以及更高的氮同化和光合能力。通过对两个不同氮效率基因型进行基因组重测序发现,氮高效基因型拥有比氮低效基因型更多的基因组变异。通过基因功能注释发现,氮高效基因型在氮效率相关基因的变异数量要多于氮低效基因型。结合转录组分析,课题组发现地上部有 11 个基因、根部有 14 个基因,不仅存在基因组变异,也在两品种间对缺氮的响应有巨大的表达差异,这些基因主要涉及光合作用和 C/N 平衡。

基因调控研究伸向转录后调控这一神秘领域

随后,课题组通过基因共表达网络鉴定了控制油菜氮效率的关键基因。研究表明,氮吸收效率、氮利用效率以及光合作用和 C/N 代谢的平衡共同影响着油菜的氮效率。同时鉴定了调控这些过程的关键基因,为改良油菜的氮效率提供了重要的理论基础。

基因表达是一个多阶段进程(multi-level process)。DNA在转录为RNA后,RNA需要经过一系列转录后调控(post-transcriptional regulation)而被翻译为功能蛋白。先前来自多家实验室的研究结果清晰地显示,RNA转录水平至多能够解释细胞中功能蛋白丰度的50%,而转录后基因调控提供了更多精细调节的选择。为满足个体发育及机体对外界刺激有效反应的需求,基因表达一系列进程都需要处于精密的调控中,任何错误偏离都有可能导致疾病的发生。虽然具有相同甚至更加重要的作用,相比已经较为广泛深入研究的转录调控,转录后基因调控研究领域还是一个相对未被开发的处女地,近十几年才逐渐受到生物医学界的重视,并逐渐成为研究基因调控的一个主流方向。

相关论文信息:

近年来,南方科技大学生物系教授陈炜重点从事系统生物学及功能基因组学研究,在基因调控特别是转录后基因调控领域开展了大量创新性研究工作,并取得一系列成果。

定量描述哺乳动物基因调控全过程

陈炜教授课题组在多年的研究过程中发展和建立了一系列基于高通量组学技术定量研究基因调控的实验及分析方法。2011年他和德国教授Selbach及Wolf实验室合作,首次在哺乳动物细胞中精确测量了约6000种不同基因的mRNA及蛋白数量,并通过代谢标记手段得到了这些mRNA及蛋白降解速率,从而在国际上建立了第一个用微分方程定量描述哺乳动物细胞全局基因表达调控的整体数学模型。在此基础上对于基因调控不同进程的作用提出了全新的认识,揭示了转录后调控对于细胞内蛋白最终含量起到的决定性影响。该研究结果于2011年发表于Nature,六年来共被引用2481次(截至2017年8月,基于Google Scholar),被国际同行公认为该研究领域具有里程碑意义的成果。

图片 1图1. 陈炜教授课题组在全基因组水平测量mRNA、蛋白数量,计算mRNA、蛋白降解速率;建立定量描述哺乳动物细胞全局基因表达调控的整体数学模型;揭示基因调控不同进程对于细胞蛋白最终含量的相对作用。

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